网络基础通信new网络控制技术.ppt
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1、第二章 网络通信基础,课程的主要内容,2.1 网络通信的基本概念及通信模型 2.2 通信传输介质 2.3 数据编码技术 2.4 数据的传输模式 2.5 数据的通信方式 2.6 网络控制系统的拓扑结构 2.7 通信信道访问控制方式 2.8 差错控制技术 2.9 RS232和RS485串口通信技术 2.10 开放系统的OSI参考模型,2.1 网络通信的基本概念及通信模型,2.1.1 网络通信的基本概念下面以图的通信过程为例说明一些基本概念。,2.1 网络通信的基本概念及通信模型,总线与总线段 总线是指在一个设备或站点内,通过时分复用方式实现多个信道的信号分别传递的共用途径。从广义来说,总线就是传输
2、信号或信息的公共路径,是遵循同一技术规范的连接与操作方式。一组设备通过总线连在一起称为总线段。可以通过总线段相互连接,把多个总线段连接成一个网络系统。总线主设备可在总线上发起信息传输的设备叫做总线主设备。也就是说,主设备具备在总线上主动发起通信的能力,所以也称命令者。总线从设备 不能在总线上主动发起通信,只有收到总线主设备的命令才能做出响应的设备称为总线从设备,也称基本设备。,2.1 网络通信的基本概念及通信模型,控制信号总线上的控制信号通常有三种类型。一类控制连在总线上的设备,让它进行所规定的操作,如设备清零、初始化、启动和停止等。另一类是用于改变总线操作的方式,如改变数据流的方向,选择数据
3、字段的宽度和字节等。还有一些控制信号表明地址和数据的含义,如对于地址,可用于指定某一地址空间,或表示出现了广播操作;对于数据,可用于指定它能否转译成辅助地址或命令。总线协议 管理主、从设备使用总线的一套规则称为总线协议。这是一套事先规定的、必须共同遵守的规约。,2.1 网络通信的基本概念及通信模型,总线操作 总线上命令者与响应者之间的”连接数据传送脱开”这一操作序列称为一次总线”交易”,或者叫做一次总线操作。”脱开”是指完成数据传送操作以后,命令者断开与响应者的连接。命令者可以在做完一次或多次总线操作后放弃总线占有权。总线传送 一旦某一命令者与一个或多个响应者连接上以后,就可以开始数据的读写操
4、作规程。读数据操作是读来自响应者的数据;写数据操作是向响应者写数据。读写数据都需要在命令者和响应者之间传递数据。为了提高数据传送操作的速度,有些总线系统采用了块传送和管线方式,加快了长距离的数据传送速度。通信请求 通信请求是由总线上某一设备向另一设备发出的请求信号,要求后者给予注意并进行某种服务。它们有可能要求传送数据,也有可能要求完成某种动作。,2.1 网络通信的基本概念及通信模型,寻址寻址过程是命令者与一个或多个从设备建立起联系的一种总线操作。通常有以下四种寻址方式。物理寻址:用于选择某一总线段上某一特定位置的从设备作为响应者。由于大多数从设备都包含有多个寄存器,因此物理寻址常常有辅助寻址
5、,以选择响应者的特定寄存器或某一功能。逻辑寻址:用于指定存储单元的某一个通用区,而并不顾及这些存储单位在设备中的物理分布。某一设备监测到总线上的地址信号,看其是否与分配给它的逻辑地址相符,如果相符,它就成为响应者。物理寻址与逻辑寻址的区别在于前者是选择与位置有关的设备,而后者是选择与位置无关的设备。广播寻址:广播用于寻址网络控制系统的所有响应者。命令者把地址信息放在总线上,从设备将总线上的地址信息与其内部的有效地址进行比较,如果相符,则该从设备被”连上”。能使多个从设备连上的地址称为广播地址。命令者为了确保所选的全部从设备都能响应,系统需要有适应这种操作的定时机构。组播寻址:组播寻址类似于广播
6、寻址,也是一对多的通信关系,拥有一组响应者。设备必修加入组内,才能接收组播信息。,2.1 网络通信的基本概念及通信模型,总线仲裁 由于总线是一条公用信道,如果有多个设备同时传送信息,就有可能会发生冲突。为解决这种冲突,就需进行总线占有权的仲裁。总线仲裁是用于裁决哪一个主设备是下一个占有总线的设备。某一时刻只允许某一主设备占有总线,等到它完成总线操作,释放总线占有权后才允许其他总线主设备使用总线。当前的总线主设备叫做命令者。总线主设备为获得总线占有权而等待仲裁的时间叫做访问等待时间,而命令者占有总线的时间叫做总线占有期。命令者发起的数据传送操作,可以在命令者和一个或多个从设备之间进行。,2.1
7、网络通信的基本概念及通信模型,总线定时总线操作用定时信号进行同步。定时信号用于指明总线上的数据和地址在什么时刻是有效的。大多数总线标准都规定命令者可发起控制信号,用来指定操作的类型,还规定响应者要回送的从设备状态响应信号。差错检测 在总线上传送信息时会因噪声和窜扰而出错,因此在高性能的总线中一般设有差错校验码机制,以实现传送过程的出错检测。传送地址时的校验码出错会使要连接的从设备连不上;传送数据时如果有校验码出错,通常是再发送一次。也有一些总线由于出错率很低而不设差错校验码机制。,2.1 网络通信的基本概念及通信模型,容错设备在总线上传送信息出错时,如何减少故障对系统的影响,提高系统的重配置能
8、力是十分重要的。故障对分布式仲裁的影响就比菊花链式仲裁小。后者在设备出故障时,会直接影响它后面设备的工作。总线系统应能支持软件利用一些新技术,如动态重新分配地址,把故障隔离开来,关闭或更换故障单元。,2.1 网络通信的基本概念及通信模型,2.1.2 网络通信基本模型如果我们把前小节的复杂网络间设备通信简化,可以得到以下的简单的单向数字通信模型。,2.1 网络通信的基本概念及通信模型,(1)信息源与接收者信息源和信息接收者是信息的产生者和使用者。在数字通信系统中传输的信息是数据,是数字化了的信息。这些信息可能是原始数据,也可能是经计算机处理后的结果,还可能是某些指令或标志。信息源可根据输出信号的
9、性质不同分为模拟信息源和离散信息源。模拟信息源(如电话机、电视摄像机)输出幅度连续变化的信号;离散信息源(如计算机)输出离散的符号序列或文字。模拟信息源可通过抽样和量化变换为离散信息源。随着计算机和数字通信技术的发展,离散信息源的种类和数量愈来愈多。,2.1 网络通信的基本概念及通信模型,(2)发送设备发送设备的基本功能是将信息源和传输介质匹配起来,即将信息源产生的消息信号经过编码,变换为便于传送的信号形式,送往传输介质。对于数字通信系统来说,发送设备的编码常常又可分为信道编码与信源编码两部分。信源编码是把连续消息变换为数字信号;而信道编码则是使数字信号与传输介质匹配,提高传输的可靠性或有效性
10、。变换方式是多种多样的,调制是最常见的变换方式之一。发送设备还要为达到某些特殊要求而进行各种处理,如多路复用、保密处理、纠错编码处理等。,2.1 网络通信的基本概念及通信模型,(3)传输介质传输介质指发送设备到接收设备之间信号传递所经的媒介。它可以是无线的,也可以是有线的。有线和无线均有多种传输介质,如电磁波、红外线为无线传输介质,各种电缆、光缆、双绞线等为有线传输介质。介质在传输过程中必然会引入某些干扰,如热噪声、脉冲干扰、衰减等。介质的固有特性和干扰特性直接关系到变换方式的选取。,2.1 网络通信的基本概念及通信模型,(4)接收设备接收设备的基本功能是完成发送设备的反变换,即进行解调、译码
11、、解密等。它的任务是从带有干扰的信号中正确恢复出原始信息来,对于多路复用信号,还包括解除多路复用,实现正确分路。在工业网络控制系统中,发送设备与接收设备往往都与数据源紧密连接为一个整体。许多测量控制装置既可以作为发送设备,又可以作为接收设备,一方面将本设备产生的数据发送到通信系统,另一方面也接收系统内其他设备传送给它的信号。,2.2 通信传输介质,传输介质是网络中连接收发双方的物理通路,也是通信中实际传送信息的载体。常用的通信介质可以分成三类:第一类为金属导体,例如同轴电缆、双绞线等,利用铜或铁等金属导体的电流变化来传输数据。第二类为以光纤为代表的透明玻璃或塑胶绳介质,它们利用光波来传输数据。
12、第三类介质不需要物理连接,主要是利用电磁波的辐射来实现数据传输,例如无线与卫星通信等。,2.2 通信传输介质,传输介质特性对通信影响比较大,主要特性如下:(1)物理特性:传输介质物理结构的描述;(2)传输特性:传输介质允许传送数字或模拟信号以及调制技术、传输容量、传输的频率范围;(3)连通特性:允许点对点或多点连接;(4)地理范围:传输介质最大传输距离;(5)抗干扰性:传输介质防止噪声与电磁干扰对传输数据影响的能力。,2.2.1 双绞线,双绞线由按规则螺旋结构排列的两根或四根绝缘线组成。一对绝缘线可以作为条通信线 路,各个线对螺旋排列的目的是使各线对之间的电磁干扰最小。双绞线有屏蔽和非屏蔽双绞
13、线两种类型。现行双绞线电缆中一般包含4个双绞线对,具体为橙/白橙、蓝/白蓝、绿/白绿、棕/白棕,如图所示。,2.2.2 同轴电缆,它由内导体、外导体屏蔽层、绝缘层及外部绝缘保护套层组成,如图所示。金属屏蔽层能将磁场反射回中心导体,同时也使中心导体免受外界干扰,故同轴电缆具有更高的带宽和更好的噪声抑制特性。,2.2.3 光缆,光纤是一种直径为50100m的柔软、能传导光波的介质,各种玻璃和塑料可以用来制造光纤,其中用超高纯度石英玻璃纤维制作的光纤可以得到最低的传输损耗。在折射率较高的单根光纤外面用折射率较低的包层包裹起来,就可以构成一条光纤通道,多条光纤组成一束就构成光纤电缆。,2.3 数据编码
14、技术,数据在通信介质上要以电磁波的物理信号进行传输,通常把数据的电磁波表示称为电子编码。码元是所传输物理信号的基本单位。在计算机网络通信中所传输的大多为二元码,它的每一位只能在1或0两个状态中取一个,这每一位就是一个码元。信号也分模拟信号和数字信号。因此不同类型的信号在不同类型的信道上传输有4种组合,每一种相应地需要进行不同的特殊处理,见图2-4。用模拟信号的不同幅度、不同频率、不同相位来表达数据的0、1状态的,称为模拟数据编码;用高低电平的矩形脉冲数字信号来表达数据的0、1状态的,称为数字数据编码。下面详细讨论数据编码的形式。,2.3 数据编码技术,图2-4 数据与信号的转化形式,2.3.1
15、 模拟信号调制,模拟数据编码采用模拟信号来表达数据的0、1状态。幅度、频率、相位是描述模拟信号的参数,可以通过改变这三个参数,实现模拟数据编码。幅度键控ASK、频移键控FSK、相移键控PSK是模拟数据编码的三种编码方法。,2.3.1 模拟信号调制,(1)幅移键控(ASK)在幅移键控(ASK)中,2个二进制数值分别用2个不同振幅的载波信号表示。通常用有载波信号表示1,用无载波信号或载波信号振幅为零表示0。幅度键控可以通过乘法器和开关电路来实现。载波在数字信号1或0的控制下通或断,在信号为1的状态载波接通,此时传输信道上有载波出现;在信号为0的状态下,载波被关断,此时传输信道上无载波传送。那么在接
16、收端我们就可以根据载波的有无还原出数字信号的1和0。对于二进制幅度键控信号的频带宽度为二进制基带信号宽度的两倍。它具体可以表示为:,2.3.1 模拟信号调制,幅移键控实现容易,技术简单,采用电信号传输时,抗电磁干扰能力较差,调制效率低。光纤介质上常采用ASK。,2.3.1 模拟信号调制,2.3.1 模拟信号调制,(2)频移键控(FSK)在频移键控(FSK)中,2个二进制数值分别用2个不同频率的载波信号表示,即利用两个不同频率F1和F2的振荡源来代表信号1和0,用数字信号的1和0去控制两个独立的振荡源交替输出。具体表示为:频移键控实现容易,技术简单,抗电磁干扰能力强,是最常用的调制方式。波形见图
17、2-6。,2.3.1 模拟信号调制,2.3.1 模拟信号调制,(3)相移键控(PSK)在相移键控(PSK)中,用载波信号的相位偏移去表示数据,载波相位受数字基带信号的控制,如在二进制基带信号中为0时,载波相位为0,为1时载波相位为,载波相位和基带信号有一一对应的关系。相移键控可分为绝对相移键控和相对相移键控,最简单的绝对相移键控二相位PSK如图2-6下图所示,具体表示为:,2.3.1 模拟信号调制,0,0,1,1,0,1,0,0,0,1,0,ASK调幅,FSK调频,PSK调相,ASK:用载波的两个不同振幅表示0(0v)和1(+5v)FSK:用载波的两个不同频率表示0(1.2KHz)和1(2.4
18、KHz)PSK:用载波的起始相位的变化表示0(同相)和1(反相),2.3.2 数字数据的数字信号编码,按照数字编码方式可以分为单极性码和双极性码;根据信号是否归零,可以分为归零码和非归零码:归零码码元中间的信号回归到0电平,而非归零码遇1电平翻转,零时不变。,2.3.2 数字数据的数字信号编码,单极性码 信号电平是单极性的,如高电平用来表示逻辑1,零电平用来表示逻辑0的信号表达方式 双极性码 信号电平为正、负两种极性的。如正电平用来表示逻辑1,负电平用来表示逻辑0的信号表达方式归零码 在每一位二进制信息传输之后均返回到零电平的编码。例如,其逻辑1只在该码元时间中的某段(如码元时间的一半)维持高
19、电平后就恢复到低电平。非归零码 在整个码元时间内维持有效电平,2.3.2 数字数据的数字信号编码,图2-7 单极性非归零码,图2-8 单极性归零码,图2-9 双极性非归零码,图2-10 双极性归零码,2.3.2 数字数据的数字信号编码,(5)差分码用电平的变化与否来代表逻辑1和0,电平变化代表1,不变化代表0,按此规定的码称为信号差分码。根据初始状态为高电平或低电平,差分码有两种波形(相位恰好相反)。,图 2-11 差分码,2.3.2 数字数据的数字信号编码,(6)曼彻斯特编码 这是一种常用的基带信号编码。它具有内在的时钟信息,因而能使网络上的每一个系统 保持同步。在曼彻斯特编码中,时间被划分
20、为等间隔的小段,其中每小段代表一个比特。每 一小段时间本身又分为两半,前半个时间段所传信号是该时间段传送比特值的反码,后半个时间段传送的是比特值本身。可见在一个时间段内,其中间点总有一次信号电平的变化,因此,携带有信号传送的同步信息而不需另外传送同步信号。,2.3.2 数字数据的数字信号编码,中间时刻上跳为1 中间时刻下跳为0,三种数字编码的波形图,2.3.3 模拟数据的数字信号编码,模拟信号数字化的最常用方法:脉冲编码调制(PCM)。它的基本过程如下:发信端的任务是将输入的模拟信号通过抽样、量化、编码后变换成由0和1组成的PCM数字信号;通过中继器对波形进行修整和再生,提高通信质量和延长通信
21、距离;收信端的任务是将PCM数字信号通过解码和低通滤波,还原为模拟信号,如图所示。,2.3.3 模拟数据的数字信号编码,图2-13 PCM编码机制,抽样:每隔一定的时间对模拟信号抽取一个瞬时幅度值,使得原来时间上连续的信号变位时间上离散的脉冲信号,即PAM脉冲。量化:将信号的幅度按照一定规律离散化。每一间隔称为一个量化级,也称量化间隔。编码:将量化后的信号用一组对应的二进制码组来表示,使之获得PCM信号,这一转换过程称为编码。,2.4 数据的传输模式,数据的传输模式最常见的有基带传输和频带传输两种模式,分别应用于数字信道和模拟信道。,2.4.1 基带传输,基带传输是指在基本不改变数据信号频率的
22、情况下,在数字通信中直接传送数据的基带信号,不采用任何调制措施原样进行传输。它是目前广泛应用的最基本的数据传输方式。目前大部分计算机局域网,包括控制局域网,都采用基带传输方式。其特点如下:信号按数据位流的基本形式传输,整个系统不用调制解调器,这使得系统价格低廉。系统可采用双绞线或同轴电缆作为传输介质,也可采用光缆作为传输介质。与宽带网相比,基带网的传输介质比较便宜,可以达到较高的数据传输速率(一般为1Mbit/s10Mbit/s),但其传输距离一般不超过25km,传输距离加长,传输质量会降低。基带网的线路工作方式一般只能为半双工方式或单工方式。,2.4.2 频带传输,频带传输是利用模拟通信信道
23、进行数据通信的方式,利用电话信道传输数据就是典型的频带传输实例。频带传输中使用数据的模拟编码方法,传输过程中要使用调制解调技术,调制解调器同时具有调制和解调功能。图2-15和2-16为调制解调器的工作原理。,图2-15 频移键控调制器原理图,2.4.2 频带传输,图2-16 频移键控解调器原理图,2.4.2 频带传输,这里要注意调制速率与数据传输速率概念的不同。传输速率是指每秒内传输构成数据的二进制代码位数,单位是bits。与数据传输有关的速率的调制速率,它是指每秒传输信号码元的数目,又叫码元速率或波特率,称为波特(baud)。对应到模拟数据信号传输过程中,就是从调制解调器输出的调制信号每秒载
24、波调制状态改变的数值。信息传输速率与调制速率的关系可以用下式表示:C为信息传输速率,单位为bit/s;为调制速率,单位为波特;K为多相调制的调制相数。,2.5 数据的通信方式,除了上面提到的根据信道传输信号的类型可分为基带传输和频带传输外,还可以根据通信信道的不同特点进行分类。根据一次数据传输的位数可分为并行通信和串行通信,根据数据时序的同步方式也可分为异步传输和同步传输,根据数据传送的方向可分为单工、半双工和全双工。,2.5.1 并行通信和串行通信,并行通信是指数据以成组的方式在多个并行信道上同时传输,每位单独使用一条线路,这一组数据通常是8位、16位或32位,每组数据传输时,由一条附加的选
25、通锁存控制信号线来通知接收端,作为双方的同步之用。串行通信是指数据流以串行方式在一条信道上传输。串行通信易于实现,比较便宜,长距离连接中比并行通信更可靠,但是传输速度要慢一些,并且要注意传输中的同步问题。所谓同步,就是要求接收端按照发送端所发送码元的重复频率及起止时间来接收数据,使得收发双方在时间基准上保持致。为达到同步目的,接收方校正自己的时间基准与重复频率的过程叫同步过程。,2.5.1 并行通信和串行通信,并行通信的通信速度较高,且不必过多地考虑同步问题,适用于距离较近时的数据通信,计算机中以及计算机与高速设备间通常采用并行通信方式。但在长距离的传输中,并行传输会带来通信电缆费用的大量增加
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